一种可并联多套燃料电池的电源系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池电源系统领域，具体涉及一种可并联多套燃料电池的电源系统及其控制方法。


背景技术：

2.电源系统的负载包含多种用电设备，由于燃料电池的动态响应性能较差，对不断变化的负载供电时，需要与锂电池混合使用，用锂电池良好的动态特性弥补燃料电池的不足。
3.电源系统主要由燃料电池子系统、电力转换子系统、锂离子电池子系统、逆变子系统和控制子系统等多领域子系统组成。通常燃料电池系统因负载需求不同需动态进行加载工况调整，频繁的进行工况调整和启停会减少燃料电池的使用寿命以及降低氢气利用率。燃料电池由于在不同工况调整下所生成的水和产生热是不同的，输出功率越大生成的水越多，产生的热也越多；其中，频繁的进行快速工况调整对维持燃料电池内部反应的水、热平衡提出较大的挑战，对燃料电池的使用寿命影响较大。
4.现有的燃料电池子系统的启停控制方法主要根据锂离子电池子系统bms反馈给控制子系统的soc值(state of charge，剩余电量占总体可用电量的百分比)判断，由控制子系统对燃料电池子系统发出启动、加载、降载或停机等命令。由于负载在工作过程中，功率可能发生变化，导致燃料电池系统进行工况调整，频繁的工况调整使燃料电池的输出功率和温度反复呈现阶梯式上升或下降趋势，燃料电池温度变化无法稳定，水、热不平衡，加速燃料电池失效和寿命衰减。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有燃料电池系统由于负载需求不同需要的频繁工况调整，导致燃料电池失效和寿命衰减的问题，在原有单台套大功率燃料电池电源系统上，将燃料电池系统替换为并联的多套小功率燃料电池，提供一种可并联多套燃料电池的电源系统及其控制方法；从而避免原有的大功率燃料电池进行频繁的工况调整。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种可并联多套燃料电池的电源系统，包含：控制子系统、依次连接的燃料电池子系统、dc/dc转换器、锂离子电池、逆变器；
7.所述燃料电池子系统包含若干并联的燃料电池；所述dc/dc转换器用于将所述燃料电池的输出电压升高后，输出到所述锂离子电池；所述锂离子电池通过所述dc/dc转换器进行电能输入，并通过所述逆变器进行电能输出，所述逆变器将燃料电池经dc/dc转换器转换的直流电或锂离子电池输出的直流电逆变成交流电后输出至负载；
8.所述控制子系统包含:通过信号连接的主控制器、若干燃料电池控制器、锂离子电池控制器；所述锂离子电池控制器能够监测锂离子电池的soc值；所述主控制器根据锂离子电池的soc值，对所述燃料电池控制器发送指令信号，控制燃料电池的工作状态。
9.较佳地，所述控制子系统还包含分别与所述主控制器信号连接的dc/dc转换器控
制器、逆变器控制器。
10.较佳地，所述锂离子电池最大充放电倍率不小于5c。
11.较佳地，所述燃料电池子系统中，并联的燃料电池数量为2～10套。
12.较佳地，所述控制子系统还信号连接一报警指示灯。
13.对应地，本发明还公开了所述并联多套燃料电池的电源系统的控制方法，包含如下步骤：
14.s1，启动电源系统，所述锂离子电池控制器监测锂离子电池的soc值信息并将该信息传输给所述主控制器；
15.s2，所述主控制器根据所述soc值向控制子系统的燃料电池控制器和/或锂离子电池控制器传输信号，对电源系统进行自动控制，包含：
16.s2.1，若soc＜p，锂离子电池控制器接收来自所述主控制器的信号，控制所述电源系统下电；其中，5％≤p≤15％；
17.s2.2，若soc＞q，燃料电池控制器接收来自所述主控制器的信号，控制所述燃料电池子系统为待机状态；其中，75％≤q≤90％；
18.s2.3，若p≤soc≤q，则燃料电池控制器接收来自所述主控制器的信号，控制启动至少一套所述燃料电池并加载到额定功率，用于对所述负载输出电压；其中，根据所述soc值大小，调整所述燃料电池的启动数量，且所述燃料电池的启动数量与所述soc值负相关。
19.较佳地，燃料电池的总套数为n，并分别记为第1～n套；步骤s2.3中，所述燃料电池的启动顺序为：随着所述soc值逐渐减小，依次启动第1～n套燃料电池。
20.较佳地，p＝10％，q＝80％；n≥3时，步骤s2.3为：
21.若60％≤soc≤q，则只启动第1套燃料电池；若50％≤soc＜60％，则启动第1～(n-2)套燃料电池；若40％≤soc＜50％，则启动第1～(n-1)套燃料电池；若p≤soc＜40％，则启动全部燃料电池。
22.本发明的有益效果包含：
23.(1)一套大功率的燃料电池系统成本过高、体积功率较低和维修性差，且由于工况调整，可能影响其使用寿命；但由多套标准小功率燃料电池并联较容易维修，每套小功率燃料电池工作时，只需要加载到额定功率下运行即可，工况不需要根据负载变化而不断变化；且对一套小功率燃料电池维修时，也不影响并联的其他燃料电池的使用；
24.(2)多套燃料电池的并联使用保障了燃料电池始终在额定功率下稳定运行，减少燃料电池频繁启停造成的氢气吹扫排放，提高氢气利用率。
附图说明
25.图1为本发明的可并联多套燃料电池的电源系统示意图；
26.图2为本发明的多套燃料电池子系统的启停控制方法工作流程图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
30.如图1所示，本发明提供了一种可并联多套燃料电池的电源系统，包含控制子系统和依次连接的燃料电池子系统、dc/dc转换器、锂离子电池、逆变器。
31.所述锂离子电池可通过所述dc/dc转换器进行电能输入实现对锂离子电池充电，也可以进行电能输出，所述逆变器将锂离子电池输出的直流电逆变成交流电后输出至负载。
32.所述控制子系统包含相互通过信号连接的主控制器、若干燃料电池控制器(fcu，fuel cell control unit)、锂离子电池控制器、dc/dc转换器控制器和逆变器控制器；进一步地，所述控制子系统的所有控制器通过控制器局域网络(can，controller area network)相互连接。一些实施例中，所述锂离子电池控制器为bms(battery management system)；所述bms能够检测锂离子电池的soc值。
33.所述燃料电池子系统包含并联的若干燃料电池(fc，fuel cell)，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池，是控制反应所需氢气和空气的流量及压力进行电化学反应产生电、水、热的场所。
34.所述dc/dc转换器连接燃料电池子系统电能输出端和锂离子电池的电能输入端，将燃料电池子系统输出的低电压转换为锂离子电池的充电所需的高电压。
35.所述锂离子电池连接dc/dc转换器的电能输出端和逆变器的电能输入端，将锂离子电池子系统的电能和/或燃料电池子系统输出、经由dc/dc转换器转换的电能输出到逆变器；所述锂离子电池子系统为最大充放电倍率为5c以上，以满足负载瞬间大功率波动的特性。
36.所述的逆变器是将锂离子电池子系统的直流电压和燃料电池经dc/dc转换器转换的直流电压，逆变为交流220v或380v交流电压；所述逆变器连接负载输入端和锂离子电池的电能输出端。
37.该电源系统的控制方法如下：
38.s1，启动电源系统，所述锂离子电池控制器监测锂离子电池的soc并将该信息传输给主控制器；
39.s2，主控制器根据soc向控制子系统的其他组件传输信号，对电路进行自动控制；包含：
40.s2.1，若soc＜p，所述电源系统下电；其中，5％≤p≤15％；
41.s2.2，若soc＞q，所述燃料电池子系统停机；其中，75％≤q≤90％；
42.s2.3，若p≤soc≤q，则启动至少一套所述燃料电池并加载到额定功率，电源系统对负载输出电压；根据soc值大小，调整所述燃料电池的启动数量并将启动的燃料电池均加载到额定功率，且所述燃料电池的启动数量与所述soc值负相关。
43.所述的p为电源系统下电的阈值条件、q为燃料电池子系统停机的阈值条件。
44.从上述步骤可知，每套小功率燃料电池工作时，只需要加载到额定功率下运行即可，工况不需要根据负载变化而不断变化；且对一套小功率燃料电池维修时，也不影响并联的其他燃料电池的使用。多套燃料电池的并联使用保障了燃料电池始终在额定功率下稳定运行，也可以减少燃料电池频繁启停造成的氢气吹扫排放，提高氢气利用率。
45.具体控制方法可参考以下实施例。
46.实施例
47.如图2所示，电源系统的启停由锂离子电池的bms(锂离子电池控制器)反馈给主控制器，由主控制器调控锂离子电池和逆变器的开启和关闭，保障电源系统稳定输出。当电源启动后，主控制器向锂离子电池bms发出启动命令，并实时接收bms的soc。所述控制子系统通过信号连接一报警指示灯；当bms检测到锂离子电池soc值小于10％时，所述报警指示灯闪烁，主控制器向锂离子电池子系统bms发出关机命令，整个电源系统下电。当bms检测到soc值大于等于10％时，主控制器向逆变器发出开机命令，输出交流电。
48.多套燃料电池子系统的启停控制方法主要根据锂离子电池子系统bms反馈给主控制器的soc值判断，由控制子系统对并联的多套燃料电池子系统发出启动、加载、降载或停机等命令。设燃料电池的总套数为n，并分别记为第1～n套；当控制子系统检测soc值小于80％时，控制子系统对第1套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令。当控制子系统检测soc大于等于50％且小于60％时，控制子系统在对第1套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令同时再次对第2～(n-2)套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令。当控制子系统检测到soc值大于等于40％且小于50％时，控制子系统在对第1套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令同时再次对第2～(n-1)套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令。当控制子系统检测soc大于等于10％且小于40％时，控制子系统在对第1套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令同时再次对第2～n套燃料电池发出启动并加载到额定功率命令。直到控制子系统检测soc值大于等于80％时，控制子系统对所有燃料电池发出停机命令。
49.将所述燃料电池分别记为第1～n套，并根据所述soc值，按照顺序开启；其目的是，当负载功率发生变化时，尽量减少需要启停的燃料电池数量，增加燃料电池寿命。
50.综上所述，但由多套标准小功率燃料电池并联较容易维修，每套小功率燃料电池工作时，只需要加载到额定功率下运行即可，工况不需要根据负载变化而不断变化；且对一套小功率燃料电池维修时，也不影响并联的其他燃料电池的使用。多套燃料电池的并联使用保障了燃料电池始终在额定功率下稳定运行，减少燃料电池频繁启停造成的氢气吹扫排放，提高氢气利用率。
51.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。